[논문 리뷰] A Dynamically Configurable Silicon Nanowire Field Effect Transistor based on Electrically Doped Source/Drain

Chitrakant Sahu, Avinash Lahgere외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 16.

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit Design참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전기적으로 도핑된 소스/드레인 영역을 통해 전압 제어로 MOSFET 및 TFET 동작 모드를 전환할 수 있는 동적 가변성 있는 실리콘 나노와이어 FET를 제안한다. 이러한 게이트에 외부 편향을 가함으로써, MOSFET 모드에서는 고온 전류(35 µA)를, TFET 모드에서는 기울기 급격한 서브스브리지 스위치(~24 mV/dec)와 초저전류(off-current, ~10⁻¹⁹ A)를 동시에 달성하여 고성능 및 저전력 SoC 응용 분야에 적합한 단일 장치를 실현한다.

ABSTRACT

In this article, we present a configurable field-effect transistor (FET), where not only polarity (n- and p-type), but the conduction mechanism of a FET can also be configured dynamically. As a result, we can have both types of devices, high-performance MOSFET and low-power TFET, for computational and power efficient system on chip (SoC) products. The calibrated 3D-TCAD simulation results validate characteristics and functionalities of the configurable FET, and showed good consistency with the static conventional MOSFET (or TFET).

연구 동기 및 목표

• 고성능 및 저전력 SoC 통합을 위한 유연한 시스템온칩(SoC) 통합을 위해 단일 FET가 MOSFET 및 TFET 전도 메커니즘을 동적으로 전환할 수 있도록 개발하는 것.
• 기존 도핑 기술의 한계를 극복하기 위해 급격한 접합을 제거하고 낮은 도핑 농도의 실리콘 바디로 랜덤 도핑 변동(RDF)을 감소시키는 것.
• 고정된 이온 주입 대신 외부 게이트 편향을 사용하여 극성 및 전도 메커니즘 재구성 가능성을 확보하는 것.
• 단일 장치 아키텍처에서 고성능(고 ION) 및 저전력(저 IOFF) 특성을 동시에 달성하는 것.

제안 방법

• 균일하게 낮은 도핑 농도를 가진 초박공 실리콘 나노와이어 바디를 사용하며, NiSi 소스/드레인 접합과 0.45 eV의 장벽 높이를 갖는다.
• 두 개의 게이트 전극을 사용한다: 전환용 중심 제어 게이트(CG)와 소스 및 드레인 측에 위치한 양측 극성 게이트(PG)로, 전기적으로 n⁺ 또는 p⁺ 영역을 유도한다.
• 극성 게이트 편향을 변화시켜 캐리어 유형과 전도 메커니즘을 동적으로 제어한다: 양측 PG에 +1.2 V를 인가하면 n⁺-고유- n⁺(MOSFET 모드)로, 비대칭 편향(예: +1.2 V 및 -1.2 V)을 인가하면 n⁺-고유-p⁺(TFET 모드)로 전환된다.
• 3D TCAD 시뮬레이션은 ATLAS 소프트웨어를 사용하며, MOSFET에는 유체역학적 운반체 모델을, TFET에는 국소가 아닌 밴드간 터널링 모델을 적용하여 장치 물리적 거동을 정확히 반영한다.
• 다양한 게이트 편향 조건에서 전이 특성 및 밴드도를 시뮬레이션하여 동적 재구성 및 성능 지표의 타당성을 검증한다.
• ION, IOFF, 서브스브리지 스위치, ION/IOFF 비율을 통해 장치 성능을 평가하여 고성능 및 저전력 응용 분야에 적합한지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기적으로 도핑된 소스/드레인 영역을 사용하여 단일 실리콘 나노와이어 FET가 MOSFET 및 TFET 전도 메커니즘을 동적으로 전환할 수 있는가?
• RQ2 이온 주입 없이 외부 극성 게이트 편향이 캐리어 유형과 전도 메커니즘을 어떻게 제어하는가?
• RQ3 동일한 장치에서 MOSFET 모드의 ON 전류와 TFET 모드의 서브스브리지 스위치/오프 전류 간의 성능 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 가변성 FET가 얼마나 잘 고 ION과 초저전력 IOFF를 동시에 달성하여 双기능을 실현하는가?
• RQ5 극성 게이트 및 추가 금속 증착으로 인해 발생하는 파라사이트 효과 및 제조 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 가변성 FET는 TFET 모드에서 약 24 mV/dec의 급격한 서브스브리지 스위치를 달성하여 뛰어난 게이트 제어력과 낮은 누설 전류를 보여준다.
• TFET 모드에서 오프 상태 전류(IOFF)는 10⁻¹⁹ A에 이르며, 뛰어난 전력 효율성을 입증한다.
• MOSFET 모드에서 온 상태 전류(ION)는 35 µA에 도달하여 고속 동작에 적합한 강력한 성능을 보인다.
• ION(MOSFET) 대 IOFF(TFET) 비율은 약 10¹³ 수준이며, 이는 장치가 고성능 및 저전력 기능을 동시에 수행할 수 있음을 확인한다.
• 극성 게이트 편향 조절을 통해 MOSFET 및 TFET 동작 간 성공적인 전환이 이루어지며, 시뮬레이션 결과는 기존 정적 장치와 일치한다.
• 주요 제한점은 추가 극성 게이트 및 금속 증착으로 인한 증가된 파라사이트 효과로, 신중한 통합 및 절연이 필요하다.